基于海洋生态在线监测浮标数据的钦州湾藻华过程研究*

李 斌，刘保良**，陈旭阳，凌 琳，高劲松

(1.国家海洋局北海海洋环境监测中心站，广西北海 536000；2.自然资源部第四海洋研究所，广西北海 536000；3.南宁师范大学，北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室，广西南宁 530001)

0 引言

海洋水产业是我国海洋经济的支柱型产业，而赤潮对渔业特别是海水养殖业、捕捞渔业危害巨大，在封闭性较强的内湾可使养殖的鱼、虾、贝类大量死亡。赤潮可改变水体理化特征，导致渔场生态环境恶化，广西近岸是赤潮暴发情况较为严重的海域[1-3]，需要认真研究相关防治对策[4]。海洋生态在线监测浮标可实时连续监测海洋环境要素，跟踪研究赤潮发生至消亡期间海水理化要素的变化；利用海洋生态在线监测浮标研究赤潮机制和快速预警是近年海洋研究的热点问题[5-9]。2013年以来，广西海洋局在广西近岸海域布设了16套海洋生态在线监测浮标，基于浮标监测数据对广西近岸海域水质状况进行的评价，均写入了每年的广西海洋环境质量公报中。本研究基于布设在钦州湾海域的GX11号海洋生态在线监测浮标监测数据，对2018年8月钦州湾发生藻华过程中的海水环境要素变化进行分析，对在线监测浮标应用于赤潮预警进行初步探讨。

1 材料与方法

1.1 GX11浮标采样区概况

GX11海洋生态在线监测浮标位于钦州湾东南海域(108°39′E，21°39′N)，具体位置见图1。2018年8月20日至23日，钦州湾南侧海域发生藻华，现场监测发现该海域大片海水呈淡红褐色，并有淡腥臭味，影响海域面积约2.2 km2；镜检分析显示，藻类第一优势种为红色赤潮藻(Akashiwosanguinea)，其细胞密度达4.37×105个/L，对照《赤潮监测技术规程》(HYT 069-2005)[10]可见，该值略低于该藻种赤潮生物细胞密度标准限值(5.00×105个/L)，故此次藻类增殖暴发的藻华现象可判断为赤潮。8月24日、25日，大范围现场巡视结果表明海水颜色恢复正常，镜检分析结果显示藻类细胞密度恢复到正常水平。GX11浮标布放点位较靠近此次藻华发生海域的中心位置。

1.2 主要仪器设备

GX11海洋生态在线监测浮标搭载美国YSI公司生产的6600型多参数水质分析仪(监测盐度、pH值、溶解氧、水温、叶绿素a)和芬兰维萨拉公司生产的WXT-520型气象监测仪(监测风向、风速、气温)。以上浮标搭载的多参数水质分析仪、气象监测仪均通过国家质量技术监督局认证，监测期间由厂家维护团队定期清洗、校准及比对，以保证仪器的工作状态及监测数据的质量。浮标搭载的数据采集通信装置在搭载仪器获得监测数据后，通过GPRS通信卡实时发送至国家海洋局北海海洋环境监测中心站数据接收服务器。

1.3 采样深度、监测阶段及监测指标

GX11海洋生态在线监测浮标投放海域水深约6.2 m，浮标水质监测探头位于水下1.5 m处，采样频率为30 min/组，主要监测表层海水水质;气象要素采用气象监测仪监测。结合现场监测、相关文献[4，5,8，9,11]和浮标连续监测数据，将藻华过程分为暴发前期(8月16日至19日，部分监测指标出现异常，但叶绿素a未达赤潮预警值10.0 μg/L)、暴发中期(8月20日至23日，叶绿素a超过赤潮预警值10.0 μg/L，现场监测发现海水异常现象)、消退期(8月24日至27日，叶绿素a低于赤潮预警值10.0 μg/L，现场监测表明海水水色恢复正常)。

1.4 数据统计及分析

本文基于GX11海洋生态在线监测浮标站点8月16日00：00-27日23：30期间(采集频率：30 min/组，共576组)的监测数据，对藻华发生过程前后环境要素(风速、气温、水温、盐度、pH值、溶解氧、叶绿素a)的日均值、30 min/组数据变化趋势、每日最高值与最低值等进行分析。采用SPSS软件(19.0版本)对576组各环境要素监测数据进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 藻华过程前后各环境要素变化

藻华过程前后(8月16-27日)，GX11浮标监测到的风速、气温、水温、盐度、pH值、溶解氧、叶绿素a日均值变化见表1，各环境要素30 min/组的变化趋势见图2，其中藻华暴发时段发生在8月20日至23日。

图2 钦州湾藻华海域各环境要素变化趋势(30 min/组)Fig.2 Variation trend of environmental factors in algal bloom area of Qinzhou Bay (30 min/group)

表1 钦州湾藻华海域各环境要素的日均值Table 1 Daily average of environmental factors in algal bloom area of Qinzhou Bay

2.1.1 藻华过程暴发前期

监测结果表明，藻华发生前(8月16日至19日)，气温及水温较低，风速较高。整个研究时段气温日均值最低值27.5℃出现在8月17日，水温日均值最低值29.9℃出现在8月18日，风速日均值最高值7.1 m/s出现在8月16日；盐度、pH值、溶解氧变化趋势较为平稳，虽然出现随昼夜变化产生的波动，但波动范围较小。值得注意的是，叶绿素a含量在8月18日和19日出现2次波峰，17日上午叶绿素a含量达到9.8 μg/L的高值。广西近海相关研究[9,11]表明，叶绿素a含量达到10.0 μg/L时，赤潮暴发的可能性增加，所以此次监测数据的异常现象引起了浮标监测值班人员的注意，并及时向相关部门提出了预警。

2.1.2 藻华过程暴发中期

监测结果表明，藻华过程暴发中期(8月20日至23日)，气温及水温较藻华暴发前期明显升高，风速有所降低。其中：整个研究时段中，气温日均值最高值30.4℃出现在8月21日，风速日均值最低值2.8 m/s出现在8月21日；进一步分析可见，从20日中午开始，气温、水温回升，风速减小,有利于藻类在稳定表层海水环境下聚集和较快速增殖。8月20日至23日，盐度呈较规律的昼夜变化，波动范围比前期略大，总体变化范围较为平稳，因浮标所在海域为金鼓江河口，我们认为盐度变化主要受到江水入海和潮汐的影响。8月20日至23日，pH值、溶解氧、叶绿素a指标值均从早上8时起逐渐升高，凌晨零点后逐渐降低，呈较为同步和规律的昼夜变化，且波动范围明显比前期较大，期间每日监测到的pH值最高值分别为8.20，8.49，8.42,8.24，溶解氧含量最高值分别为9.01，12.26，11.81，10.22 mg/L，叶绿素a含量最高值分别为42.2，52.3，25.4，15.6 μg/L，均主要出现在中午至下午时段，且数值明显比藻华过程暴发前期、消退期高。8月20日至23日4 d中，叶绿素a含量最高值均大于文献中赤潮预警值10.0 μg/L[4，5,8，9,11]。叶绿素a是海水中浮游植物生物量的重要表征，水体中叶绿素a含量较高代表着浮游植物生物量较高，而浮游植物叶绿素a的合成与光照周期较为相关[12]，在中午至下午光照强时段浮游植物光合作用较强，增殖较快，导致生物量变高,同时叶绿素a含量出现高值。

2.1.3 藻华过程消退期

监测结果表明，藻华过程消退期(8月24日至27日)，气温日均值比藻华过程暴发中期略有降低，水温每日监测的最高值也比中期最高值低，风速日均值比中期有所增高，气温、水温的下降以及风速增大有利于藻类增殖导致的藻华或赤潮消退。相关研究表明：藻类增殖导致的藻华或赤潮暴发与消退，水文气象因素的影响和制约作用较为明显[13-15],此次藻华过程再次作了印证。而盐度波动趋势较为平稳，与暴发中期相比变化不大；pH值、溶解氧、叶绿素a指标值同样呈现较为同步和规律的昼夜变化，但波动范围比暴发中期明显较小。总的来说，消退期3个环境要素的每日最高值、日均值均比暴发中期小(特别是pH值每日最低值比暴发前期、暴发中期都小，藻华过程消退期叶绿素a日均值分别为2.2，1.8，1.9，2.1 mg/L)，pH值、溶解氧、叶绿素a基本恢复到了长期监测时的日均值正常水平，表明藻华已消退，后续现场巡查也未发现海水异常。

2.2 各环境要素的相关性分析

对藻华过程前后(8月16日00：00-27日23：30期间)GX11号海洋生态浮标的576组数据(采样频率30 min/组)的监测环境要素进行相关性分析，结果见表2。

表2 钦州湾藻华海域各监测环境要素的相关性分析(n=576)Table 2 Correlation analysis of monitoring environmental factors in algal bloom area of Qinzhou Bay (n=576)

表2结果表明，本次藻华过程前后，水质因子中的叶绿素a、pH值、溶解氧三者之间均具有显著的正相关关系，三者具有联动的波动规律，而叶绿素a含量是赤潮生物密度的重要表征参数。白天时段光照较强，浮游植物暴发性增殖，其光合作用吸收二氧化碳、释放氧气，使得海水中溶解氧含量升高，而光合作用消耗下二氧化碳浓度降低，导致海水中碳酸氢根减少，使得海水的pH值升高，浮游植物密度增大使得叶绿素a含量升高；夜晚时段浮游植物以暗反应为主，吸收氧气释放二氧化碳，从而导致海水溶解氧含量和pH值降低。风速与叶绿素a在0.01的水平上显著负相关：风速较小时，表层海水较稳定，藻类易于聚集和快速增殖，造成叶绿素a含量升高；风速增大时可使海水环境波动增大，促进藻类扩散和藻华消退。这与相关研究报道[13-15]一致。有研究[9,11,16，17]表明，藻华或赤潮的暴发与叶绿素a、pH值、溶解氧显著相关。因此，在生态预警监测中，一旦出现叶绿素a、pH值、溶解氧监测值迅速升高，甚至超出正常范围，且出现联动的强烈波动时，应预警赤潮发生的可能。

3 讨论

研究表明，赤潮或藻华暴发过程中溶解氧、pH值、叶绿素a等环境要素值会出现异常变化。在浮游植物暴发增殖前期，由于生物量的增多和光合作用的释放，白天时段表层海水中溶解氧含量会显著升高。本研究中，在线监测数据也表明表层海水中溶解氧含量显著升高，但本次藻华过程未出现溶解氧含量迅速下降的现象，可能是因为本次藻华过程暴发中期浮游植物密度未达到赤潮生物密度阈值。溶解氧含量的迅速下降需要浮游植物密度达到较大值(例如超过赤潮阈值)，当浮游植物大量消耗溶解氧时才会导致表层海水中溶解氧含量迅速下降，进而使大量海洋生物因缺氧而死亡，这也是赤潮的主要危害之一。pH值的显著升高主要受浮游植物暴发增殖的影响。水中游离氧含量增多并与H+离子结合成为水分子，同时浮游植物消耗了大量的碳酸氢根离子作为光合作用的碳源转换为含碳化合物，从而导致水中酸度下降、pH值升高[18]。自然界中浮游植物叶绿素以叶绿素a占绝大多数[16]。有害藻类暴发性繁殖引起的藻华现象中，藻类的聚集和增殖会导致叶绿素显著升高，因此叶绿素a的异常波动可作为赤潮暴发的重要依据[19]。相关研究表明，赤潮发生时叶绿素a含量通常超过10.0 μg/L，并将此浓度作为藻华暴发的依据[4，5,8，9,11,21]。本次钦州湾藻华过程中同样出现了叶绿素a含量大于10.0 μg/L的现象，但细胞浓度却没有达到赤潮的标准。这可能是暴发增殖的藻类不同，导致叶绿素a达到预警值而藻类细胞浓度未达赤潮标准的现象[8]，因此在实际预警工作开展中要密切注意其他环境要素的异常，并借鉴相关研究[5-8,21-23]的经验。

4 结论

(1)气温、水温回升和风速由大减小使得表层海水环境稳定，有利于藻类的聚集和快速增殖，是藻华发生的环境诱因。

(2)水温、盐度、pH值、溶解氧、叶绿素a呈明显的昼夜变化规律。藻华暴发阶段，pH值、溶解氧、叶绿素a呈较为同步和规律的昼夜变化，且波动范围明显比前期较大。pH值、溶解氧、叶绿素a三者之间均具有显著的正相关，并具有联动的波动规律。

(3)钦州湾GX11浮标监测数据表明：当环境条件出现气温、水温回升，风速减小且在线监测的pH值、溶解氧、叶绿素a指标值波动范围增大，特别是叶绿素a达到或接近10.0 μg/L时，可对相关海洋部门开展藻华甚至赤潮可能发生的预警，以便及时布置现场调查，为海洋防灾减灾提供宝贵的时间。